Это самый старый и самый далекий источник света, который мы когда-либо видели. Но где именно?
«Нам говорят, чтобы наш свет сиял, и если это так, нам не нужно никому говорить об этом. Маяки не стреляют из пушек, чтобы привлечь внимание к своему сиянию - они просто сияют». - Дуайт Л. Муди
Когда вы смотрите на далекую Вселенную, вы также оглядываетесь назад во времени, благодаря тому, что скорость света - хотя и огромна - конечна. Поэтому, если вы оглянетесь на самое далекое, что вы можете увидеть, на самый первый луч света, видимый нашим оборудованием, вы обязательно чего-нибудь достигнете. В случае с нашей Вселенной, насколько нам известно, это оставшееся от Большого взрыва свечение: космический микроволновый фон (CMB). На этой неделе вы прислали множество вопросов и предложений для «Спросите Итана», но я решил ответить на вопрос Дэвида Инглиша, поскольку он хочет знать:
Мы видим популярное изображение реликтового излучения в виде глобуса. Это все вокруг нас. Я понимаю, что реликтовое излучение - это самая ранняя картина Вселенной, которая у нас есть. Поскольку мы оглядываемся назад во времени, когда видим далекие объекты, реликтовое излучение логически является самой отдаленной «вещью», которую мы можем видеть. Это предполагает, что реликтовое излучение - это конец Вселенной, но мы знаем, что это неправда. Насколько нам известно, пространство продолжается бесконечно, и мы знаем, что не видели его края. Итак, где же реликтовое излучение, которое мы запечатлели, как не на краю Вселенной?
Давайте начнем с самого Большого Взрыва, чтобы мы могли рассмотреть реликтовое излучение в перспективе, и двигаться дальше.
Когда начался горячий Большой Взрыв - после периода космической инфляции, который длился неопределенное время - Вселенная обладала следующими свойствами:
- Оно было большим: скорее всего, намного, намного больше (по крайней мере, во много сотен раз), чем та его часть, которая составляет нашу наблюдаемую Вселенную.
- Он был невероятно однородным - с одинаковой плотностью энергии везде - в среднем лучше чем 1 часть на 10000.
- Было ужасно жарко. Возьмите самые высокие энергии, достигнутые на Большом адронном коллайдере, и увеличьте их как минимум в 10 000 000 раз; такой горячий.
- Было не только жарко, но и плотно. Плотность излучения, материи и антиматерии была в триллионы и триллионы раз плотнее ядра урана.
- А еще он невероятно быстро расширялся, охлаждаясь по мере расширения.
Это была Вселенная, с которой мы начали. Это было наше прошлое, примерно 13,8 миллиардов лет назад.
Но по мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, в нашей космической истории происходили невероятные вещи, и они происходили одновременно везде. Нестабильные пары материи/антиматерии аннигилируют, когда Вселенная остынет ниже температуры, необходимой для их спонтанного образования. В конце концов, у нас осталось лишь небольшое количество материи, которая каким-то образом образовалась в избытке по сравнению с антиматерией.
По мере того, как температура продолжала падать, между протонами и нейтронами должен был произойти ядерный синтез, дающий начало более тяжелым элементам. Хотя для образования дейтерия потребовалось значительное количество времени - от трех до четырех минут (время жизни в ранней Вселенной) - , первый шаг (один протон и один нейтрон образуют дейтрон) во всех цепных ядерных реакциях, чтобы стабильно когда это произойдет, мы получим значительное количество гелия в дополнение к водороду, а также следовые количества лития.
Здесь, среди моря нейтрино, фотонов и ионизированных электронов, образуются первые тяжелые элементы во Вселенной.
Теперь требуется энергия порядка многих МэВ (или мега-электрон-вольт), чтобы сплавить легкие элементы в более тяжелые, но если вы хотите сформировать нейтральные атомы? Вам нужно, чтобы ваша энергия упала ниже нескольких эВ (или электрон-вольт), что примерно в миллион раз ниже температуры.
Формирование нейтральных атомов невероятно важно, если вы хотите увидеть, что происходит, потому что независимо от того, сколько света у вас есть, если у вас есть целая куча плотных свободных электронов, плавающих вокруг, этот свет собирается рассеять эти электроны посредством процесса, известного как томсоновское (или, для высоких энергий, комптоновское) рассеяние.
Пока у вас достаточно высокая плотность свободных электронов, весь этот свет, в значительной степени независимо от энергии, будет отражаться, обмениваясь энергией и разрушая любую закодированную информацию (или, точнее, рандомизированные) этими столкновениями. Поэтому, пока вы не сформируете нейтральные атомы и не «заблокируете» эти свободные электроны, чтобы фотоны могли беспрепятственно перемещаться, вы не сможете ничего «увидеть». (Во всяком случае, не со светом.)
Как оказалось, Вселенная должна остыть ниже температуры около 3000 Кельвинов, чтобы это произошло. Фотонов так много больше, чем электронов (примерно в миллиард раз), что вам нужно достичь этих «безумно низких» температур только для того, чтобы фотоны с самой высокой энергией - один на миллиард, обладающие достаточной энергией для ионизации. водород - падение ниже этого порога критической энергии. К тому времени, когда это происходит, возраст Вселенной составляет около 380 000 лет, а сам процесс занимает в общей сложности немногим более 100 000 лет.
Теперь это происходит везде одновременно, постепенно (как мы только что рассмотрели), когда весь свет во Вселенной, наконец, свободно течет наружу со скоростью света во всех направлениях. Реликтовое излучение было испущено, когда Вселенной было около 380 000 лет, и это был не «микроволновый» свет, когда он излучался: это был инфракрасный свет, части которого были достаточно горячими, чтобы человек мог видеть его как красноватый свет. глаза, были ли в то время люди.
На самом деле у нас есть достаточно доказательств того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше; когда мы смотрим на все большее и большее красное смещение, мы видим именно этот эффект.
Этраполируя в прошлое то, что мы наблюдаем сегодня, фон 2,725 К, испускаемый с красным смещением z=1089, мы обнаруживаем, что когда реликтовое излучение впервые испускалось, оно имело температуру около 2, 940 K. Реликтовое излучение находится не на краю Вселенной, а представляет собой «край» того, что мы можем видеть визуально.
Когда мы смотрим на реликтовое излучение, мы также обнаруживаем в нем флуктуации: области повышенной плотности (обозначаемые «синим» или более холодным) и пониженной плотности (обозначаемые «красным» или горячее), которые представляют собой небольшие отклонения от идеальной однородности.
Это хорошо по двум причинам:
- Эти колебания были предсказаны инфляцией, и было предсказано, что они будут масштабно-инвариантными. Это было еще в 1980-х; наблюдение и подтверждение этих колебаний спутниками в 90-х (COBE), 00-х (WMAP) и 10-х (Planck) подтвердило, что диктует инфляция.
- Эти флуктуации сверхплотных и недостаточно плотных областей необходимы для возникновения моделей крупномасштабных структур звезд, галактик, групп, скоплений и нитей , разделенных обширными космическими пустотами.
Без этих флуктуаций у нас никогда не было бы Вселенной, которая соответствовала бы тому, какой мы наблюдаем нашу.
И все же, хотя свет реликтового излучения всегда исходит из того времени, когда Вселенной было 380 000 лет, свет, который мы наблюдаем здесь, на Земле, постоянно меняется. Видите ли, Вселенной около 13,8 миллиардов лет, и хотя динозавры, если бы они построили микроволновые/радиотелескопы, могли бы сами наблюдать реликтовое излучение, это было бы немного иначе.
Это было бы на несколько милликельвинов горячее, потому что Вселенная была моложе несколько сотен миллионов лет назад, но, что более важно, закономерности флуктуаций были бы полностью отличными от той, которую мы наблюдаем сегодня. Не статистически, заметьте: общая величина и спектр горячих и холодных точек были бы чрезвычайно похожи (в пределах космической дисперсии) на то, что мы наблюдаем сегодня. Но, в частности, то, что сегодня жарко и холодно сегодня, практически никак не связано с тем, что жарко или холодно даже сто или двести тысяч лет назад, не говоря уже о сотнях миллионов лет.
Когда мы смотрим во Вселенную, реликтовое излучение присутствует везде, во всех направлениях. Он существует для всех наблюдателей во всех местах, постоянно излучаясь на всех с того, что они наблюдают как «поверхность последнего рассеяния». Если бы мы подождали достаточно долго, мы бы увидели не просто снимок Вселенной, какой она была в зачаточном состоянии, а фильм, который позволил бы нам отображать избыточную и недостаточную плотность в трех измерениях с течением времени! Теоретически мы можем измерить это далеко в будущем, когда «микроволновый» фон упадет в радиодиапазон спектра, когда плотность фотонов упадет примерно с 411 на кубический сантиметр до десятков, до одноразрядных, все вплоть до миллионных долей сегодняшней плотности. Излучение все еще будет там, пока мы будем строить большие, достаточно чувствительные телескопы, чтобы обнаружить его.
Таким образом, реликтовое излучение - это не конец Вселенной, а скорее предел того, что мы можем видеть, как по расстоянию (насколько мы можем зайти), так и по времени (насколько далеко назад как мы можем идти). Но теоретически у нас есть надежда, что мы сможем вернуться еще дальше.
Видите ли, в то время как свет ограничен этим 380 000-летним возрастом Вселенной, нейтрино (и антинейтрино), созданные в Большом Взрыве, свободно текли практически без помех с тех пор, как Вселенная находилась между одна и три секунды! Если мы сможем построить детектор, достаточно чувствительный, чтобы напрямую измерять и картировать этот космический фон нейтрино (CNB), мы сможем вернуться еще дальше: на порядки приблизиться к происхождению горячего Большого взрыва во времени. Это невероятно низкая энергия - с пиком в несколько сотен микро-электрон-вольт - , но она должна существовать. Он просто ждет, пока мы придумаем, как его найти.
Итак, Дэвид, мы видим не край Вселенной и даже не самое дальнее, что можно увидеть. Это просто при нынешних ограничениях наших технологий и ноу-хау самое далекое, что мы можем сейчас увидеть. И постоянно уходит все дальше и дальше. Поскольку Вселенная продолжает стареть, мы просто заглядываем все глубже и глубже в прошлое. Как однажды печально сказал Мэтью МакКонахи…
«Я становлюсь старше, они остаются в том же возрасте».
То же самое относится и ко Вселенной: мы становимся старше, но реликтовое излучение остается того же возраста.
Спасибо за отличный вопрос, Дэвид, и я надеюсь, что вам понравилось оглянуться назад, насколько мы знаем, как смотреть в настоящее время. Если у вас есть идея, вопрос или предложение для «Спросите Итана», отправляйте свои сегодня. Каждую неделю мы выбираем новую, свежую запись, и вы никогда не знаете: следующая может стать вашей!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs.